Prof. Luiz Marcelo Chiesse da Silva DIODOS

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1 DODOS 1.JUÇÃO Os crisais semiconduores, ano do ipo como do ipo, não são bons conduores, mas ao ransferirmos energia a um deses ipos de crisal, uma pequena correne elérica aparece. A finalidade práica não esá na uilização dos crisais semiconduores ipo e ipo isoladamene, mas na junção dos dois ipos de crisais. junção A junção dos dois ipos de crisais semiconduores, dopados adequadamene, cria um ipo de disposiivo elerônico com caracerísicas eléricas bem diferenes das enconradas nos componenes eléricos comuns (resisência, capacior e induor). Ao aplicarmos uma diferença de poencial nese novo disposiivo, a correne elérica que aravessa a junção dos dois crisais se compora de maneira diferene quando invere-se a polarização da ensão aplicada, como mosrado nos dois circuios abaixo. - + V + - V Quando ligamos o pólo posiivo da fone de ensão ao crisal semiconduor ipo e o pólo negaivo da fone de ensão ao crisal semiconduor ipo, o disposiivo à junção praicamene não conduz elericidade. Ao inverermos a polarização, ligando o pólo negaivo da fone de ensão ao crisal semiconduor ipo e o pólo posiivo da fone de ensão ao crisal semiconduor ipo, a condução de correne elérica em proporções bem maiores em relação ao caso anerior, e o disposiivo orna-se um conduor elérico. A razão para ese ipo de comporameno esá na região de união enre os dois crisais, chamada de junção. Ao efeuamos esa união, ocorre uma difusão das cargas eléricas livres em excesso no crisal ipo (no caso os elérons livres), enando aravessar a junção para ocupar uma lacuna no crisal ipo, criando novas lacunas no crisal ipo, em um processo chamado recombinação, pois a lacuna é reocupada por um eléron. Cada recombinação desa cria um íon, e os íons irão se acumular na região em orno da junção aé o pono em que não permiirão mais a passagem dos elérons do maerial ipo para o maerial ipo criando-se uma barreira, chamada de barreira de poencial ou camada de depleção. íons posiivos íons negaivos camada de depleção (barreira de poencial) Cefe/R Cornélio rocópio 1

2 Ao polarizarmos o crisal ipo com o pólo posiivo e o crisal ipo com o pólo negaivo de uma fone de ensão, injeamos energia que aumena a criação deses pares de íons e aumena esa barreira de poencial. Caso conrário, com a polarização do crisal ipo com o pólo posiivo e o crisal ipo com o pólo negaivo da fone de ensão; com energia suficiene, os élerons adquirem energia suficiene para ulrapassar a barreira de poencial e se locomoverem para o ouro pólo da fone de ensão, o mesmo ocorrendo com as lacunas. De modo geral, ocorrerá a condução de correne elérica somene em uma polarização dese novo disposiivo pela fone de ensão, ou seja, a correne circulará somene em um senido no circuio. 2.DODO À JUÇÃO O disposiivo criado pela junção de dois crisais semiconduores do ipo e é denominado de diodo à junção, diodo reificador ou somene diodo: o componene elerônico mais simples. 2.1.SMBOLOGA O símbolo esquemáico do diodo represena de modo simples a direção de condução da correne elérica e os seus erminais. ormalmene é represenado por uma sea que indica o senido inverso de movimenação dos elérons, e um raço perpendicular que exise na simbologia e no invólucro do próprio componene. anodo caodo O erminal do diodo represenado por um raço é chamado de caodo e o erminal oposo de anodo. A condução de correne elérica (movimeno dos elérons) se dá somene do caodo para o anodo. 2.2.CURVA Vx: Um dos melhores meios para se analisar o comporameno de um componene elérico é a curva da ensão pela correne elérica. A curva da correne versus a ensão aplicada a um diodo é mosrada na figura abaixo: correne de fuga Tensão de rupura ensão de joelho V Os ponos denominados definem os principais parâmeros de especificação de um diodo. Cefe/R Cornélio rocópio 2

3 2.3. FUCOAMETO: Além das caracerísicas descrias sobre a junção -, vamos verificar alguns dealhes no comporameno do diodo à junção com base no gráfico Vx. O exposo no gráfico mosra a polarização do diodo na condução (valores posiivos da ensão) que é chamada de polarização direa e na não-condução (valores negaivos da ensão) que é chamada de polarização reversa. A grosso modo, podemos dizer que o diodo é um conduor na polarização direa e um isolane na polarização reversa, porém, alguns dealhes devem ser levados em cona. a polarização direa, exise uma barreira de poencial na junção, e é necessário energia para aravessá-la, que se reflee em uma queda de ensão quando o diodo esá conduzindo. Esa queda de ensão é denominada ensão de joelho, e é o valor de ensão necessário para se ulrapassar a barreira de poencial e iniciar a condução de correne no diodo. a condução, o diodo se compora quase como um curo-circuio (conduor), mas na práica apresena uma pequena resisência elérica, que pode ser visa como uma pequena inclinação na curva Vx. a polarização reversa, o diodo praicamene não conduz, somene uma correne elérica superficial circula, de valor geralmene desprezível, devido à cargas eléricas e impurezas enre a superfície do crisal com o meio. Mas para um valor de ensão muio alo, a rigidez dielérica do diodo pode ser ulrapassada, causando uma circulação insanânea de correne e a queima do diodo, pela dissipação excessiva de poência. 2.4.ESECFCAÇÕES: Os diodos reificadores disponíveis no mercado são idenificados por códigos, dados pelos fabricanes. Cada código especifica uma série de valores para qual o diodo foi consruído, e os principais são: oência máxima: especificação máxima de poência que o diodo pode suporar; Correne máxima CC: poderemos er a especificação da correne máxima que o diodo supora quando polarizado direamene ao invés da poência máxima, chamada de cc, porque o diodo conduz somene em um senido (correne conínua); Tensão máxima: valor máximo de ensão direa que o diodo supora quando polarizado direamene, e na práica é uilizado como o valor da ensão de joelho, porque são valores próximos; r (correne reversa): valor da correne que circula quando o diodo é polarizado reversamene, e na maioria dos circuios é um valor desprezível. V rm, V br, BV, RV, V (ensão reversa máxima ou ensão de rupura, breakdown ): valor máximo de ensão que o diodo supora na polarização reversa. V valor da ensão de joelho); R c (resisência de corpo): valor de resisência que o diodo apresena na polarização direa, geralmene de pequeno valor. 2.5.AROXMAÇÕES: ara cálculos em circuios eléricos que envolvem diodos, podemos considerar alguns dos valores acima ou despreza-los, desde que não haja inerferência nos valores de ensão e correne que se deseja ober no circuio. ara iso, podemos considerar o diodo reificador como um circuio equivalene à uma chave unidirecional, que é abero na polarização reversa e fechado na polarização direa, em série com ouros componenes represenaivos dos valores que devem ser considerados Diodo ideal: O diodo ideal é o diodo sem perdas: sem queda de ensão inerna (V ), resisência de Cefe/R Cornélio rocópio 3

4 corpo e correne reversa nulas, se comporando como uma chave unidirecional: quando a correne circula do caodo para o anodo é uma chave fechada e no senido conrário, uma chave abera a aproximação: Leva em cona a queda de ensão (ensão de joelho) do diodo: equivalene à uma chave unidirecional com uma fone de ensão (de valor igual a ensão de joelho) conrária à polarização do diodo. V γ a aproximação: Considera a queda de ensão e a resisência de corpo do diodo: V γ R c 3.CRCUTOS A DODO Os ipos de circuios a seguir são consruídos com diodos reificadores somene ou com a combinação de diodos e ouros componenes como resisências e capaciores. São os principais ipos de circuios a diodo uilizados na eleroécnica ou em muias áreas da elericidade em geral (elerônica digial, elecomunicações, auomação,...). 3.1.RETFCADORES Os reificadores são circuios que converem a energia elérica (ensão e correne) da forma alernada para conínua, ou em ermos; a correne na enrada de um circuio dese ipo muda periodicamene de senido de circulação e a saída resula em uma correne conínua (um senido de circulação), ocorrendo o mesmo com a polarização da ensão. São circuios de ampla uilização, pois a energia elérica que chega às residências, lojas e indúsrias é fornecida na forma de correne alernada, mas muios equipamenos elerônicos funcionam somene com correne conínua. Cefe/R Cornélio rocópio 4

5 3.1.1.Reificador de meia-onda Considere o circuio abaixo, desprezando a queda de ensão no diodo e na resisência: R s A forma de onda da ensão nos erminais da resisência será V s A ensão gerada na polarização reversa do diodo é bloqueada Reificador de onda complea O circuio mosrado abaixo é um ipo de reificador de onda complea, pois um dos semiciclos da ensão não é perdido como no reificador de meia onda, ou seja, a oalidade da ensão na enrada do circuio é reificada. Ese circuio é monado com um ransformador com derivação cenral (cener ap), o que não chega a ser uma desvanagem, porque a maioria dos circuios elerônicos requer um valor de ensão menor em relação a ensão fornecida pela rede elérica. A V 2 B R l As ensões geradas nos ponos A e B em relação à derivação cenral são iguais mas defasadas de eléricos: quando a ensão no pono A esá no valor de pico posiivo a ensão no pono B esá no valor de pico negaivo, e vice-versa. Cefe/R Cornélio rocópio 5

6 V 2 /2 V A V B V 2 /2 so se deve ao fao de que o enrolameno do secundário do ransformador, da derivação para o pono A e da derivação para o pono B são iguais, mas disposos em senido conrário, da derivação para cada pono. A ensão visa pela carga R é meade da ensão do enrolameno secundário do ransformador (V 2 /2), porque a derivação divide o enrolameno em duas pares. Como os dois diodos conam um semiciclo da ensão dos ponos A e B, a ensão resulane na carga será a ensão de um dos semiciclos de A e B. V 2 /2 V l Reificador em pone Ese ipo de circuio ambém é um reificador de onda complea, mas não uiliza um ransformador para auxiliar a reificação e reifica inegralmene os dois semiciclos da forma de onda. R l Cefe/R Cornélio rocópio 6

7 V l 4.OUTROS TOS DE DODO 4.1. O DODO ZEER Ouro ipo imporane de diodo, além do diodo reificador, é o diodo zener, chamado ambém de diodo regulador de ensão, diodo de ensão consane ou diodo de rupura. Sua caracerísica principal é a regulação de ensão: na polarização reversa, maném a ensão nos seus erminais consane, compensando a variação da ensão aplicada com a variação da correne. Ese comporameno se deve ao fao de que o diodo zener é fabricado para funcionar na região de rupura, onde um diodo reificador não funciona Símbolo Os símbolos esquemáicos abaixo represenam um diodo zener, com a linha que represena o caodo em um formao que se assemelha à lera z. símbolo usual símbolo alernaivo Curva Vx Como o diodo reificador, o diodo zener não é um disposiivo linear, sendo imporane a análise do seu comporameno mediane a aplicação de diversos níveis de ensão. V z V z zm Da figura acima: V z é a ensão zener específica do diodo; zm é a máxima correne zener especificada pelo fabricane; z é a correne zener que circula no diodo Cefe/R Cornélio rocópio 7

8 Funcionameno Do exposo no gráfico acima, podemos observar que o comporameno do diodo zener se assemelha com o diodo reificador comum, diferenciando na polarização reversa. O diodo reificador, na região reversa, não conduz aé que se ainja a ensão reversa máxima, ocorrendo a queima do diodo. O diodo zener, na região reversa, inicia a condução de correne a parir da ensão zener, que é especificada de acordo com o diodo. ara valores acima da ensão zener, o diodo aumena a correne que passa aravés dele, mas maném a ensão nos seus erminais igual ao valor da ensão zener, ou seja, um valor consane de ensão que é compensado pela correne. Assim, ao ligarmos uma carga em paralelo com o diodo zener na polarização reversa, a ensão se maném consane no valor da ensão zener do diodo, como demonsra o gráfico Vx. Obs.: ara que o diodo zener manenha a ensão nos seus erminais consane e igual à ensão zener, é necessário que a ensão aplicada no diodo seja maior que a ensão zener. a região de polarização direa, o diodo zener se compora como um diodo reificador Especificações Seguem abaixo as principais especificações do diodo zener: V z = ensão zener do diodo; zm = máxima correne zener especifica para o diodo; zm =V z. zm =poência especificada; z =V z. z =poência dissipada num diodo zener para um valor de correne; resisência zener=resisência apresenada pelo diodo zener na região reversa, na regulação de ensão. Desde que z seja menor que zm, o diodo zener funciona na região reversa sem se danificar, sendo disponíveis em poências na faixa de ¼ W aé mais de 50W. A resisência zener produz uma pequena variação da ensão nos erminais do diodo, mas é geralmene de valor pequeno, ou seja, o dido não maném um valor exao em seus erminais com o aumeno da ensão aplicada (não é ideal). As especificações para o funcionameno na região direa são semelhanes ao diodo reificador Regulação de ensão Como exposo aneriormene, o diodo zener para funcionar como regulador de ensão deve ser polarizado reversamene com uma ensão aplicada em seus erminais maior que a ensão zener. É sempre uilizada uma resisência em série com o diodo zener para limiação da correne, mas a resisência deve se limiar a um valor que manenha a ensão no diodo acima da ensão zener. V s R s V 1 >V z o circuio acima, aplicando a Lei das Malhas: =V 1 +V s =V z +.R s R s =( -V z ). Cefe/R Cornélio rocópio 8

9 4.2.DODO EMSSOR DE LUZ (LED) O LED ligh emier diode (diodo emissor de luz) compora-se como um diodo comum, mas irradia energia em forma de luz quando polarizado direamene. A maior pare da energia é dissipada na forma luminosa, não de calor. Uilizando-se elemenos como o gálio, arsênio e fósforo para a dopagem podem ser produzidos led s de diversas cores, aé o infravermelho. A queda de ensão é maior em comparação com um diodo reificador, dependendo da cor que o led emie, com valores usuais de 1,5V à 2,5V para correnes de 10mA à 50mA e o brilho (inensidade luminosa) varia com a correne. O led é uilizado no lugar das lâmpadas comuns, como as incandescenes, com as sequines vanagens: uiliza baixa ensão; possui maior vida úil; chaveameno mais rápido Símbolo Um bom exemplo da ampla uilização dos led s é o display de see segmenos. Cefe/R Cornélio rocópio 9

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